핵발전에 사용되는 우라늄은 악티늄 족 원소의 일종으로, 원자번호 92번이다. 자연에 존재하는 방사성 원소의 하나이기도 하며 결정구조는 사방정계이다. 자연에 존재하는 원소 중 원자번호가 가장 큰 원소이기도 하다. 1789년 독일의 화학자 M. H. 클라프로트에 의해 처음 발견되었고, 1781년 토성의 바깥쪽에서 발견한 천왕성 (Uranus)의 이름을 따 명명되었다. 처음 발견되었을 때는 피치블렌드 속에 함유된 상태였고, 프랑스의 E. M. 펠리고에 의해 1842년 처음으로 홑 원소 물질로 분리되었다. 한편 프랑스의 A. 베크렐은 우라늄 화합물이 흑색종 이를 통과해서 사진 건판을 감광시키는 사실에 주목하여 방사능을 발견했다.
우라늄은 전성과 연성이 풍부한 은색 금속으로, 방사능을 가지고 있다. 우라늄은 반응성이 커 금속 상태는 물론 이산화물 상태, 분말 상태일때 쉽게 불이 붙는다. 우라늄은 발견 당시에는 위험한 물질이라고는 여겨지지 않았고, 여러 가지 상업 용도를 가지고 있었다. 예를 들면 도자기나 유리에 산화 우라늄을 넣어 자외선이 닿을 때 선명한 황록색의 빛을 발하게 만드는 것 등이 있었다.
핵연료로 쓰이는 물질이라 희소한 자원일 것 같지만 사실 우라늄은 방사성 원소 중에서는 비교적 흔한 물질이다. 지각에 주석만큼이나 풍부하게 분포하기 때문에 의외로 값도 저렴하다. 미국에서 구입할 경우 보통 시중에는 U3O8의 형태로 팔리는데, 시세는 2016년 1월 기준으로 파운드당 35달러 부근에서 형성되어 있다.
그러나 이는 우라늄의 동위원소 중 하나인 우라늄-238에 대한 이야기이며 핵연료로 쓸 수 있는 우라늄-235는 희소성이 크게 높다. 우라늄 광석 중 99.284%가 우라늄-238이며 우라늄-235는 0.7% 남짓하다. 이렇게 차이가 나는 이유는 둘의 반감기 차이 때문이다. 우라늄-235의 반감기는 약 45억 년인 반면, 우라늄-235의 반감기는 약 7억 년으로, 우라늄-235의 반감기가 훨씬 짧아 자연에서는 이미 대부분의 우라늄-235가 붕괴하여 사라진 상태이다.
우라늄을 핵연료로 사용 시 경수로 방식에서는 우라늄-235의 농축도가 일정 수준을 넘어야 한다. 따라서 농축도를 높이기 위한 여러 가지 방법들이 고안되었다. 우선 광산에서 캐내어 정광으로 만든 후 , 이 정광을 육불화우라늄기체로 변환시킨다. 그 후 기체의 확산 속도가 분자량에 따라 차이가 난다는 것을 이용한 기체확산법, 동위원소 질량 차를 이용한 원심분리기법, 전자에너지 준위나 적외선 흡수 스펙트럼을 사용하는 레이저 농축 등을 사용하여 우라늄-235의 농축도를 높인다. 농축 후 남은 우라늄을 가리켜 열화우라늄이라고 하며, 자연 상태보다 우라늄-235의 함량이 매우 낮다. 따라서 핵분열을 일으키기 매우 힘들어 자연 우라늄보다 방사성도 적기 때문에 이를 핵분열 생성물과 함께 폐기하는 것은 여러 모로 비경제적이므로 따로 회수한다. 회수한 열화우라늄은 원자량이 커 밀도가 높다는 점에 착안하여 열화우라늄탄이나
전차 장갑 등 군사적 용도로 사용되거나 방사능 차폐제로 사용된다.